- Решение на основе МЭМС для контроля вибрации и мониторинга состояния оборудования
- Analog Devices ADXL1002 AD4000
- Частотная характеристика
- Соображения, касающиеся механического монтажа
- Заключение
- Ссылка
- Материалы по теме
- Октава-ЭлектронДизайн
- Оценка опасности влияния вибрационных процессов на построенные здания и сооружения
- Измерения вибрации по ГОСТ Р 52892-2007
- Точка измерений
- Измеряемая вибрационная характеристика
- Измерение частоты доминирующей составляющей
- Требования к приборам для измерений по ГОСТ Р 52892-2007
- Рекомендуемый комплект оборудования
- Метрологические и технические характеристики измерительной системы
- 005ГР. Адаптер для установки на грунт датчика вибрации
- Экофизика-110А/Строитель-АВ — комплект для измерений вибрации и шума в строительстве
Решение на основе МЭМС для контроля вибрации и мониторинга состояния оборудования
Analog Devices ADXL1002 AD4000
Thomas Brand — Analog Devices
Мониторинг состояния – одна из основных задач, возникающих в настоящее время при эксплуатации механического оборудования и технических систем, в которых используются, например, двигатели, генераторы или редукторы. Плановое техническое обслуживание приобретает все более важное значение для минимизации риска простоев производства не только в промышленном секторе, но и везде, где используется техническое оборудование. Для этого, среди прочего, анализируются шаблоны вибрации машин. Вибрации, создаваемые редуктором, в частотной области обычно воспринимаются кратными скорости вращения вала. Неравномерности различных частот указывают на износ, разбаланс или ослабление крепления деталей. Для измерения частоты часто используются акселерометры на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). По сравнению с пьезоэлектрическими датчиками они имеют более высокое разрешение, отличные характеристики дрейфа и чувствительности и лучшее отношение сигнал/шум. Они также позволяют обнаруживать колебания с низкими частотами, близкими к диапазону постоянного тока.
В этой статье показано высоколинейное малошумящее широкополосное решение для измерения вибраций, основанное на МЭМС акселерометре ADXL1002. Это решение можно использовать для анализа состояния подшипников или мониторинга двигателей, а также для всех приложений, требующих большого динамического диапазона до ±50 g и частотной характеристики от постоянного тока до 11 кГц.
Пример схемы показан на Рисунке 1. Аналоговый выходной сигнал акселерометра ADXL1002 через двухполюсный RC фильтр подается на АЦП последовательных приближений AD4000, который преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение для последующей обработки.
 | ||
| Рисунок 1. | Пример схемы с акселерометром ADXL1002. | |
ADXL1002 – это высокочастотный одноосевой МЭМС акселерометр c полосой пропускания выходного сигнала, выходящей за пределы диапазона резонансной частоты датчика. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность наблюдения частот за пределами полосы, в которой частотная характеристика спадает на 3 дБ. Для этого в ADXL1002 реализован выходной усилитель, поддерживающий малосигнальную полосу пропускания до 70 кГц. Выходной усилитель ADXL1002 также может напрямую управлять емкостными нагрузками до 100 пФ. Для нагрузок более 100 пФ следует использовать последовательный резистор сопротивлением не менее 8 кОм.
Внешний фильтр на выходе ADXL1002 необходим для устранения шума наложения спектров выходного усилителя и других внутренних шумовых компонентов ADXL1002, которые возникают, например, из-за прохождения внутреннего тактового сигнала 200 кГц. Следовательно, полоса пропускания фильтра должна быть соответствующим образом подобрана. При номиналах компонентов, указанных на Рисунке 1 (R1 = 16 кОм, C1 = 300 пФ, R2 = 32 кОм и C2 = 300 пФ), на частоте 200 кГц достигается ослабление порядка 84 дБ. Кроме того, частота дискретизации выбранного АЦП должна быть выше полосы пропускания усилителя (например, 32 кГц).
В качестве опорного напряжения АЦП должно быть выбрано напряжение питания ADXL1002, поскольку выходной усилитель имеет логометрическую связь с напряжением питания. В этом случае отклонение напряжения питания и температурный коэффициент напряжения (которые обычно связаны с внешними регуляторами) влияют одновременно на акселерометр и АЦП, так что неявная ошибка, обусловленная питающим и опорным напряжениями, устраняется.
Частотная характеристика
Частотная характеристика акселерометра, являющаяся наиболее важной характеристикой системы, показана на Рисунке 2. На частотах выше примерно 2-3 кГц коэффициент усиления растет. На резонансной частоте (11 кГц) пиковое усиление достигает значения порядка 12 дБ (4 раза).
 | ||
| Рисунок 2. | Частотная характеристика акселерометра ADXL1002. | |
Для информирования внешнего контроллера о выходе измеряемой частоты за пределы диапазона измерений ADXL1002 имеет соответствующий выход (вывод OR). В случае значительного превышения допустимого диапазона встроенный монитор выдает предупреждение.
Соображения, касающиеся механического монтажа
Особое внимание следует уделить правильному монтажу акселерометра. Он должен быть установлен на плате рядом с точкой ее жесткого крепления, чтобы избежать любых вибраций самой печатной платы и, соответственно, ошибок измерения из-за недемпфированных колебаний платы. Такое размещение дает гарантию, что любая частота вибрации печатной платы лежит выше механической резонансной частоты датчика и, следовательно, для акселерометра практически невидима. Снижению влияния системного резонанса на характеристики датчика также способствуют несколько точек крепления возле акселерометра и более толстая плата.
Заключение
С помощью схемы, показанной на Рисунке 1, можно относительно легко создать основанное на МЭМС решение для измерения вибраций в диапазоне от 0 до 11 кГц, что часто требуется при мониторинге состояния вращающихся механизмов.
Ссылка
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник
Октава-ЭлектронДизайн
Оценка опасности влияния вибрационных процессов на построенные здания и сооружения
Эксплуатируемые здания подвергаются воздействию вибрации от различных источников, вызванных деятельностью человека, например от транспорта, строительных работ, крупных машин и технологических установок.
Такая вибрация может повредить здания — нанести урон конструкциям зданий, уменьшить их ресурс или привести к незначительным повреждениям, из-за чего потребуется косметический ремонт. Если есть основания предполагать, что на здания может воздействовать опасная вибрация, то проводят инструментальные исследования.
В настоящее время подходы к методикам оценки и численным критериям опасности для зданий техногенной вибрации в разных странах значительно отличаются.
Среди зарубежных документов, регламентирующих подобные измерения, можно выделить:
-Национальный стандарт Германии DIN 4150-3:1999 «Structural vibration — Part 3: Effects of vibration on structures» (Вибрация сооружений. Часть 3. Воздействие вибрации на сооружения);
— Национальный стандарт Великобритании BS 7835-2:1993 «Evaluation and measurement for vibration in buildings — Part 2: Guide to damage levels from groundborne vibration» (Измерение и оценка вибрации в зданиях. Часть 2. Руководство по установлению уровней передаваемой через грунт вибрации, приводящей к повреждению зданий);
— Национальный стандарт Норвегии NS 8141:2001 «Vibration and shock — Measurement of vibration velocity and calculation of guideline limit values in order to avoid damage of constructions» (Вибрация и удар. Измерение скорости и расчет предельных значений, рекомендуемых с целью предотвращения повреждения сооружений).
В России на данный момент нет документов, содержащих обязательные нормативы (предельные численные критерии оценки опасности вибрации). Однако с 1 октября 2008 года действует стандарт ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию». Этот документ включает в себя методику оценки опасности воздействия техногенной вибрации, методические указания по проведению измерений и сводку численных критериев оценки вибрации зданий из зарубежных стандартов.
Измерения вибрации по ГОСТ Р 52892-2007
Для оценки опасности воздействия вибрации на здания и сооружения по ГОСТ Р 52892-2007 измеряют пиковую виброскорость по трём направлениям на фундаменте или на грунте рядом с фундаментом и определяют частоту доминирующей составляющей вибрационного процесса.
Рассмотрим последовательно особенности этих измерений.
Точка измерений
В отличие от измерений при санитарно-гигиенической или экологической оценке, вибрация на перекрытиях зданий не представляет основной интерес при оценке опасности вибрационных воздействий на здание в целом. Для корректной оценки необходимо измерить вибрацию несущих конструкций — фундаментов, несущих стен. В некоторых случаях измеряют вибрацию на грунте в непосредственной близости от фундамента здания.
Для измерений на фундаментах и несущих конструкциях необходимо предусмотреть подходящий способ крепления вибропреобразователя; обычно это клевое крепление. Для продления срока службы вибропреобразователи, как правило, устанавливают на посадочную площадку, которую уже клеят к вибрирующей поверхности.
Для измерений на грунте датчик устанавливают либо на массивную жесткую пластину (например на плиту дорожного покрытия) или на стальной стержень, который забивается глубоко в грунт.
Требования к установке акселерометров, плюсы и минусы разных видов креплений датчиков рассмотрены в стандарте ГОСТ ИСО 5348‑2002.
Измеряемая вибрационная характеристика
В соответствии с ГОСТ Р 52892-2007 нормируемой характеристикой вибрации является пиковое значение скорости.
Пик — это наибольшее мгновенное значение. Не следует путать пиковые значения скорости и максимальные. Под максимальным значениям, как правило, понимают наибольшее из текущих усреднённых за временной промежуток (например за 5 или 10 секунд) значений.
Для корректной оценки пиковой виброскорости необходимо использовать одну из следующих схем:
- подходящий датчик скорости подключается его к виброметру, имеющему детектор пиковых значений,
- датчик ускорения подключается к устройству записи временной формы сигнала, которая затем обрабатывается специальным программным обеспечением.
Пиковое значение скорости вибрации нельзя корректно получить, измеряя только усреднённые значения ускорения вибрации. При этом большинство приборов, использующихся в санитарии и экологии, в базовых комплектациях способны измерять только усреднённые значения ускорения вибрации.
Измерение частоты доминирующей составляющей
Для наиболее полной оценки опасности вибрационного воздействия на здания необходимо знать частоту доминирующей составляющей исследуемой вибрации.
Для продолжительных вибрационных событий, например вибрации от товарных железнодорожных составов, эту задачу можно решить выделением характерных частот в третьоктавном спектре ускорения или скорости.
Для импульсных вибрационных воздействий, например когда вибрация создаётся забивкой свай, частоту доминирующей составляющей получают применяя преобразование Фурье к выборке, формирующей временную форму сигнала скорости вибрации. В программных пакетах для этого обычно используется БПФ (быстрое преобразование Фурье).
Требования к приборам для измерений по ГОСТ Р 52892-2007
Ряд вопросов, не рассмотренных подробно в ГОСТ Р 52892‑2007, конкретизируют следующие стандарты:
- ГОСТ Р 53964‑2010. «Измерения вибрации сооружений. Руководство по проведению измерений». Стандарт даёт рекомендации по измерениям согласно ГОСТ Р 52892‑2007 и содержит требования к применяемым средствам измерений.
- ГОСТ Р 53963.1‑2010. «Измерения вибрации сооружений. Требования к средствам измерений». Стандарт содержит требования к СИ, применяемых при измерениях по ГОСТ Р 52892‑2007.
Средства измерений, применяемые при измерениях по ГОСТ Р 52892‑2007, состоят из:
- адаптеров для установки датчика вибрации на вибрирующую поверхность;
- датчика вибрации, т.е. акселерометра (датчик ускорения) или датчика скорости вибрации;
- измерительно-индикаторный блока;
- устройства записи и хранения информации (в современных цифровых приборах эту функцию может исполнять измерительно-индикаторный блок)
- средства анализа частотного состава сигнала (в современных приборах эту функцию реализует измерительно-индикаторный блок либо специализированное программное обеспечение на компьютере);
- ПО для компьютера.
Особое внимание при построении измерительной системы следует обратить на тип датчика вибрации. Несмотря на то, что измеряемым параметром является пиковая виброскорость, датчики скорости (велосиметры), в отличие от акселерометров, зачастую, не являются оптимальным выбором. Это связано с неподходящими динамическими и частотными диапазонами большинства существующих на рынке датчиков скорости. Кроме того для корректного измерения пиковой скорости датчик вибрации должен иметь не только соответствующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) во всём частотном диапазоне, но и фазово-частотную характеристику (ФЧХ). Многие датчики скорости (в отличие от акселерометров) имеют нелинейную ФЧХ в требуемом диапазоне частот.
Сводка требований к средствам измерения вибрации по ГОСТ Р 52892‑2007:
| Частотный диапазон измерений | Анализ АЧХ и ФЧХ датчиков вибрации и причин ограничения области рабочих частот Рекомендуемый комплект оборудованияДля задач строительной виброметрии, в том числе для измерений по ГОСТ Р 52892-2007, рекомендуется следующая измерительная система на базе прибора Экофизика-111В:
Примечание. Позиции 1,2,3, 5, 6 и 7 входят в типовой комплект Строитель-111В.
Метрологические и технические характеристики измерительной системы
Примечание. Указанный комплект оборудования не обеспечивает измерение во всех диапазонах, требуемых ГОСТ Р 53963.1‑2010, но позволяет измерить как наличие, так и отсутствие превышений рекомендуемых ГОСТ Р 52892-2007 максимальных значений пиковой скорости. Частотный диапазон, в котором обеспечивается измерение рекомендуемой измерительной системой, перекрывает все типовые частоты от техногенных источников, таких как:
005ГР. Адаптер для установки на грунт датчика вибрацииПредлагаемый адаптер 005ГР служит для установки вибропреобразователя на грунт. Он представляет из себя заостренный железный стержень длиной около 35 см и массой 1,05 кг. В верхней части стержня закреплены три пластины, которые составляют уголок. В каждой пластине есть шпилька для крепления датчика. Такая конструкция монтажной площадки позволяет проводить измерения при помощи трехканального датчика или с одновременным использованием трех одноканальных датчиков. Жесткая конструкция монтажной площадки обеспечивает отсутствие резонансов в диапазоне частот анализа вибрации согласно МИ ПКФ-16-029 и ГОСТ Р 53964-1010. Длина части стержня, находящейся в земле при измерениях, составляет 30 см, что обеспечивает жесткую механическую связь с грунтом.
Экофизика-110А/Строитель-АВ — комплект для измерений вибрации и шума в строительствеКомплект Экофизика-110А/Строитель-АВ предназначен для измерения вибрации и шума в целях проверки требований технического регламента «О безопасности зданий и сооружений». Его отличительная особенность — возможность прямого измерения пиковой скорости по ГОСТ Р 52892-2007 с индикацией результатов измерений на дисплее прибора. Кроме этого таким комплектом можно измерять:
Комплект Строитель-АВ может быть использован как составная часть системы измерения звукоизоляции или систем длительного автоматического мониторинга вибрации.
Источник |
|---|
